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[Dossier] Les recherches sur les batteries lithium-ion tout-solide s'intensifient

Xavier Boivinet

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[Dossier] Les recherches sur les batteries lithium-ion tout-solide s'intensifient

© Éric Wachsman / University of Maryland

Plus dense en énergie et plus sûre, l’architecture à électrolyte solide et électrode négative en lithium métallique est présentée comme la batterie du futur. En attendant que la recherche lève les verrous technologiques, des solutions intermédiaires sont envisagées.

Certains parlent d’un graal. D’autres d’une vraie rupture technologique par rapport aux batteries lithium-ion actuelles. Plus sûres, plus denses en énergie, les batteries tout-solide sont présentées comme les solutions du futur et intéressent les acteurs du véhicule électrique, du stockage stationnaire et de l’aéronautique. « Étant donné le nombre de recherches sur le sujet, je pense qu’on va y arriver », déclare Christophe Pillot, le directeur d’Avicenne Energy. « Il y a une telle énergie déployée dans ce domaine en Asie et en Europe que ça va même aller très vite », estime Julien Bernard, chef de projet batteries pour le centre de résultats transports à l’IFP Énergies nouvelles. Filiale de Total, Saft prévoit leur mise sur le marché entre 2025 et 2030. Mais à quelle échelle ? Pour quelles applications ? À quels coûts ? « Difficile à dire, admet Jean-Baptiste Pernot, le vice-président transformation et excellence opérationnelle chez Saft. Nous souhaitons être parmi les premiers et nous avons déjà des prototypes en cours de test à petite échelle. Certains sont prometteurs ! » Prudent, le monde académique juge l’objectif fixé à 2025 ambitieux.

Dépasser 400 Wh/kg de densité énergétique

« L’avantage principal est lié à la sécurité », affirme Julien Bernard. En effet, les explosions et incendies des batteries lithium-ion actuelles sont le résultat d’emballements thermiques au sein de l’électrolyte liquide inflammable. Les remplacer par une couche solide réduit les risques. « Il devrait en subsister quelques-uns, nuance-t-il. Mais ils ne pourront être identifiés que lorsque nous aurons les systèmes entre les mains. » L’utilisation d’un électrolyte solide permet aussi d’augmenter la densité d’énergie. « Il devrait être possible de dépasser 400 Wh/kg au niveau de la cellule », poursuit Julien Bernard, contre 260 Wh/kg, voire 280 Wh/kg pour les meilleures batteries lithium-ion actuelles. Cette hausse n’est pas due à l’électrolyte en lui-même, mais à l’électrode négative en lithium métallique.

Plongée dans un électrolyte liquide, une électrode de lithium métallique forme des excroissances – des dendrites – lors des cycles de charge-décharge qui peuvent perforer le séparateur et créer des courts-circuits. L’électrolyte solide constitue une barrière physique qui bloque ce phénomène. « Il n’y a pas mieux que le lithium métallique pour l’électrode négative », assure Julien Bernard. Dans celle d’une batterie lithium-ion classique, le graphite utilisé est un matériau d’insertion : il n’est là que pour former une structure d’accueil pour les ions lithium qui stockent les électrons. En se débarrassant du graphite au profit du lithium pur, il devient possible de stocker bien plus d’électrons. « La capacité massique de l’électrode peut être multipliée par dix environ, affirme Julien Bernard. De plus, le lithium métallique est léger et son potentiel électrochimique est extrêmement bas. » De quoi augmenter l’énergie stockée et la puissance de la batterie. En effet, en diminuant le potentiel de l’électrode négative, on augmente la différence avec le potentiel de[…]

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